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- 미세 기공을 가진 박막은 물과 이온을 통해 전류를 발생
- 약 50%의 습도에서 박막의 작은 조각이 0.68V의 전압 생성
- 평방 센티미터당 19.5㎂의 전류 밀도를 달성
- 저전력 응용 분야에서 이러한 재료를 사용하기 위한 새로운 접근 방식을 제공

습기로 인한 전기
미세 기공을 가진 박막은 물과 이온을 통해 전류를 발생시킨다.

공기로부터의 전기:
연구원들은 공기 중의 습기로부터 전기를 생성할 수 있는 발전기를 개발했다. 이것은 미세 기공이 수증기를 가두는 폴리옥소메탈레이트 분자의 박막에 의해 가능하다. 흡수된 물은 용해된 이온의 차를 유발하여 전위를 생성한다. 50%의 상대 습도에서 소형 프로토타입은 여전히 ​​0.68볼트와 평방 센티미터당 거의 20㎂(마이크로암페어)의 전류 밀도를 생성했다. 

▲ 혁신적인 박막 발생기는 미세 다공성 나노와이어와 물 분자를 사용하여 공기에서 전기를 생성한다. © Nana Research/ Tsinghua University Press

전기를 생성하는 새로운 방법을 찾는 과정에서 과학자들은 지금까지 거의 사용되지 않은 물리적 및 전기화학적 방법도 조사하고 있다. 예를 들어, 마찰 전기 발전기에서 마찰, 압력 또는 두 층의 이동은 전기로 탭오프될 수 있는 전하 변화를 생성한다. 열의 차이 또는 시멘트와 같은 일상적인 재료의 이온 흐름에서도 전기를 생성할 수 있다.

에너지 공급자로서의 습도

이제 또 다른 변형이 있다. 습도에 의해 구동되는 발전기다. 중국 북동사범대학교(Northeast Normal University)의 Tuo Ji와 그의 동료들은 "습도는 응용 가능성이 큰 유비쿼터스적이고 안정적인 에너지원"이라고 설명했다. 수증기는 전하와 하전 입자를 운반할 수 있고 따라서 전기장도 생성할 수 있기 때문이다. 때때로 뇌운의 엄청난 전압이 증명하는 것처럼 말이다.

에너지를 사용가능하게 만들기 위해 지(Ji)와 그의 팀은 공기에서 수증기를 포집하는 동시에 적절한 전하 캐리어를 제공하는 발전기를 개발했다. "흡수된 물 분자는 이러한 이온을 이동시켜 전기를 생성하는 매개체로 사용된다"고 연구진은 설명했다.

물 제거제로서의 POM 격자 분자

연구원들은 금속과 많은 산소로 만들어진 큰 무기 분자인 POM(Polyoxometalates)에서 발전기를 합성했다. 이들은 자체 조직화하여 다공성의 메쉬형 격자를 형성할 수 있다. 더 중요한 것은 "POM은 폴리옥소음이온과 양이온으로 이온화될 수 있으며, 이는 물에서 다양한 정도로 이동할 수 있다"고 Ji와 그의 팀은 설명했다. 폴리옥소음이온은 각각 여러 개의 금속 원자로 구성된 크고 음전하를 띤 이온이다.

이 특정한 경우에 Ji와 그의 팀은 인산염, 텅스텐 및 구리로 만든 폴리옥소메탈레이트를 사용하여 특히 많은 수의 미세 기공을 가진 나노와이어를 만들었다. 폴리옥소메탈레이트 나노와이어는 불소가 도핑된 주석 산화물(FTO) 유리 기판에 박막으로 증착된다. 이 유리 베이스는 발전기의 전극 역할도 한다. 두 번째 전극은 구리로 만들어지며 폴리옥소메탈레이트 박막의 상단에 부착된다.

▲ 텅스텐(빨간색)과 인산염(주황색)이 포함된 폴리옥소메탈레이트의 예. © Benjah-bmm27/퍼블릭 도메인

물은 이온을 움직인다

이제 이 앙상블이 습기에 노출되면 박막의 미세 기공이 물 분자를 가둔다. 더 많은 물 분자가 낮은 층보다 높은 층에 모인다. "이 H2O 분포 기울기는 이제 POM에서 이온 차를 유발하여 양전하를 띤 양이온을 이동시킨다"고 연구원들은 말했다. 이러한 이온의 이동은 차례로 전기를 생성하는 데 사용할 수 있는 전위를 생성한다.

초기 테스트를 위해 Ji와 그의 팀은 먼저 두께가 7㎛(마이크로미터)가 조금 넘고 면적이 0.36제곱센티미터인 작은 프로토타입을 제작했다. 그들은 이것을 상온에서 10~90%의 상대 습도에 노출시키고 전류와 전압을 측정했다.

저에너지 애플리케이션을 위한 전력

그 결과 약 50%의 습도에서 박막의 작은 조각이 0.68V의 전압을 생성하고 평방 센티미터당 19.5㎂의 전류 밀도를 달성했다. "종종 관찰되는 것과는 달리, 양이온 이동으로 인한 방전은 빠르게 발생하지 않지만, 장기간에 걸쳐 안정적이다. 전기 출력은 시스템의 다른 프로세스에 의해 안정화된다"고 과학자들은 설명했다. 이 원리는 테스트된 모든 습도 수준에서도 작동했다.

따라서 그러한 POM 발전기는 공기 중의 습기로부터 전기를 생성할 수 있는 가능성을 열 수 있다. 에너지의 양이 특별히 크지는 않지만, 연구원들은 그것이 저전력 요구 사항을 가진 애플리케이션에 적합할 수 있다고 믿고 있다. "이것은 폴리옥시메탈레이트로 만든 최초의 수분 기반 발전기다. 이것은 저전력 응용 분야에서 이러한 재료를 사용하기 위한 새로운 접근 방식을 제공할 수 있다"고 팀은 썼다.
(Nano Research, 2023; doi: 10.1007/s12274-023-5959-5)
출처: Tsinghua University Press

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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